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Laserglasbearbeitung

Im heutigen Umfeld ist die Reduzierung der Fertigungskosten einer der entscheidenden Faktoren, um am globalen Markt bestehen zu können. Dies gilt auch für die glasbe- und verarbeitende Industrie. Ein probates Mittel zur Erreichung dieses Zieles ist die Erhöhung des Automatisierungsgrades in der Produktion bzw. die Senkung der Personalkosten. An dieser Stelle kann der Laser, der seit Jahrzehnten unter anderem in der Automobil- und Metallindustrie erfolgreich eingesetzt wird, auch in der Glasindustrie einen Beitrag leisten. Einer der großen Vorteile liegt dabei in der Flexibilität des Werkzeuges Licht.

 

So ist z. Bsp. durch Fokussierung der Strahlung das Schneiden von Quarz oder auch Anritzen von borosilikatischen Gläsern zum anschließenden Absprengen möglich. Bei der Einstellung größerer Laserstrahldurchmesser erfolgt eine gezielte Glaserwärmung für beispielsweise Form- oder Fügeprozesse. Nicht zuletzt kann jede Glasart von Quarz bis AR-Glas mit einer Laserstrahlquelle bearbeitet werden.

 

Die Vorteile des Lasers im Überblick:

vollautomatisierte Bearbeitungsprozesse

mehrere Bearbeitungsverfahren mit „einem Werkzeug“

--- fokussiert schneiden, defokussiert erwärmen

--- Möglichkeit der Fertigung vom Rohr, nicht nur mit Rohrabschnitten

--- wartungsarm bzw. wartungsfrei

Temperaturregelung bei Erwärmungsprozessen

--- frei einstellbare Temperaturverläufe, angepasst an den Bearbeitungsprozess

--- hohe Reproduzierbarkeit: „gleicher Prozessablauf – gleiches Prozessergebnis“

kein chemischer Einfluss auf das Glas im Prozess

--- kein Kondenswasser, Ruß oder Metallpartikel (aus Brennersystem)

--- keine Verschmelzspannungen

kein Flammdruck

keine Erwärmung der Maschinenperipherie

--- gezielte und effiziente Energieeinbringung in das Glas

--- geringe Temperaturbelastung der Fertigungsumgebung

einstellbare Intensitätsverteilung im Laserstrahl

--- die Erwärmungszone am Glas kann eingestellt werden

--- z. Bsp. Linienfokus, Punktfokus, elliptische Strahlabbildungen etc.

Strahlführung durch Spiegel

--- ein Laser kann auf mehreren Stationen arbeiten

--- während Be-/ Entstückung einer Anlage wird an anderer Anlage gelasert

Integration des Lasers in bestehende Fertigungslinien

hohe Kosteneffizienz durch systembedingte Flexibilität, kurze Bearbeitungszeiten und ggf. Mehrfachnutzung auf mehreren Bearbeitungsmaschinen

niedrige variable Kosten, da wartungsarmes bzw. wartungsfreies Werkzeug

 

Mögliche Glasbearbeitungsprozesse mittels Laser sind unter anderem Trennen (Sublimationsschneiden, Schmelzschneiden, Thermoschocktrennen, Anritzen), Fügen artgleicher und artfremder Materialien, Formen, Bohren, Strukturieren, Beschriften oder Polieren.

Im Rahmen eines dreijährigen Forschungsprojektes hat die Firma Arnold gemeinsam mit weiteren Partnern die Grundlage für den industriellen Einsatz des Lasers, speziell in der Rohrglasbearbeitung, gelegt. Anhand zweier Beispiele sollen im Folgenden die Vorteile des Lasereinsatzes im Vergleich zu den derzeitig vorliegenden Fertigungsszenarien beschrieben werden.

 

 

 

Applikationsbeispiel Laborgerätefertigung

 

Im Bereich der Rohrglasveredelung sind oft mehrere Prozessschritte bis zum finalen Produkt notwendig. Dazu zählen neben Form- und Fügevorgängen auch Trennschritte. Da diese derzeit nicht direkt in die Prozesskette integriert werden können, muss oft mit vorkonfektionierten Rohrabschnitten gearbeitet werden. Ideal wäre hier jedoch oftmals das Arbeiten vom Rohr. Aufgrund der vorwiegend manuellen Herstellungsmethode und den Werkstoffeigenschaften des Glases sind in der Produktion trotz qualifiziertem und erfahrenem Fachpersonal deutliche Schwankungen in der Produktqualität zu verzeichnen. An dieser Stelle kann der Laser als automatisierbares Werkzeug seine Vorteile ausspielen. So kann bei Heißglasprozessen die Glastemperatur mithilfe eines Pyrometers erfasst und in einem Regelkreis verarbeitet werden. Über die Regelung werden dem Laser dann kontinuierlich neue Leistungswerte vorgegeben. So ist es möglich, reproduzierbar und ohne Glasbruch Verarbeitungstemperaturen der Gläser innerhalb weniger Sekunden zu erreichen, was Prozesszeiten signifikant verkürzt.

 

Der Anlagenbediener ist somit in der Lage, Temperaturverläufe in Testreihen zu ermitteln, die zu reproduzierbaren Fertigungsprozessen führen. Da die Glasviskosität im Wesentlichen der Temperatur folgt, ist die Verwendung einer Temperaturregelung ein hervorragendes Werkzeug zur Stabilisierung von Fertigungsprozessen bzw. eröffnet auch ganz neue Möglichkeiten. So wird beispielsweise die Bearbeitung von dünnwandigem Glas möglich, da kein Flammdruck zur Verformung des niederviskosen Glases führt.

 

Die eingangs erwähnten Zwischenschritte in Form von Schneidprozessen sind aufgrund des flexiblen Werkzeugs Laser inline zwischen den Form- bzw. Fügevorgängen möglich, was die Fertigung vom langen Rohr ermöglicht.

 

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Die Vorteile des Lasers im Überblick:

gute Automatisierbarkeit

kurze Prozesszeiten

reproduzierbare Bearbeitungsergebnisse

 

 

 

 

Applikationsbeispiel Schneiden von Quarzrohr

 

Das Ablängen von Quarzrohr wird derzeit typischerweise mit mechanischen Sägen umgesetzt. Hierbei wird ein wassergekühltes Kreissägeblatt durch das Rohrglas geführt. Aufgrund der werkzeugbedingten Krafteinbringung werden kleine Teile aus dem Rohr, nahe der Schnittkante, herausgebrochen. Je nach Weiterverarbeitung muss die gesägte Kante nachgearbeitet werden, was Schleifprozesse bzw. das Feuerpolieren beinhaltet.

 

In beiden Fällen ist das Waschen und Trocknen der Rohre zur Entfernung der Splitter notwendig. Im Gegensatz dazu sind beim Laserschneiden von Quarzrohr keine zusätzlichen Prozessschritte notwendig.

 

Der Laserstrahl wird je nach Wandstärke fokussiert und zur Verdampfung des bestrahlten Materials genutzt, die Schnittbreite beträgt ca. 100µm. Die Kontamination des Glasrohrs durch entstehenden Quarzdampf wird durch eine effiziente Absaugung vermieden. Die Schnittzeiten liegen bei Rohren mit Außendurchmessern bis 50mm und Wandstärken bis 3mm bei wenigen Sekunden. Das getrennte Quarzrohr kann nach dem Laserschnitt sofort entnommen und weiterverarbeitet werden. Nachbearbeitungsschritte wie in der derzeitigen Fertigung sind nicht notwendig.

 

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Die Vorteile des Lasers im Überblick:

einstufiger Prozess

gute Automatisierbarkeit

kurze Prozesszeiten

es entfallen die Anlagen zur Reinigung, Trocknung und ggf. Zwischenlagerung

keine Wasseraufbereitung notwendig

keine Werkzeugabnutzung, verglichen mit Sägeblatt

gleichbleibendes Schneidergebnis

automatische Prozessanpassung an unterschiedliche Rohrgeometrien möglich

 

 

Hinweis

 

Für Kundenanfragen, Applikationstests bzw. zur Durchführung kompletter Versuchsreihen stehen 2 modifizierbare Glasdrehbänke für Rohrdurchmesser von 3mm bis 160mm zur Verfügung. Diese Anlagen sind mit Lasern im Leistungsbereich von 60W bis 2500W gekoppelt. Der Aufbau neuer Testanlagen, auch für Flachglas, Kunststoffe etc. ist prinzipiell möglich. Darüber hinaus arbeiten wir bei Bedarf eng mit renommierten Forschungsinstituten zusammen, um optimale Kundenlösungen zu entwickeln.

Falls Sie weitere Informationen benötigen, Interesse an einer Live-Vorführung zur Glasbearbeitung mit Laserstrahlung haben oder bereits über konkrete Anwendungen in Ihrem Produktportfolio nachdenken, fühlen Sie sich herzlich eingeladen, uns in Weilburg zu besuchen. Gerne führen wir für Sie Applikationstests an Ihren Bauteilen durch.

 

 

Kontakt

Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Gebauer, +49 (0)6471 9394 225, hendrik.gebauer(at)arnold-gruppe.de

 

Lasermaschinen

Gute Automatisierbarkeit, kurze Prozesszeiten, niedrige Kosten.

 

 

Laserglasbearbeitungsmaschinen zum Formen, Fügen und Trennen